弱沖擊傾向性煤層沖擊地壓監測預警及防治

容賓賓，拜 鵬，鄭洪濤

(陜西彬長小莊礦業有限公司，陜西 咸陽 712000)

0 引言

煤炭是我國的基礎能源，且作為我國主體能源在今后的很長時期仍難以改變[1-2]。隨著社會經濟的發展，對能源需求量的逐年增加，大規模的煤炭開采使淺部煤炭資源逐漸枯竭，煤炭資源的開采不斷深入到地球深處，以沖擊地壓為代表的煤礦災害的發生愈加頻繁，嚴重威脅礦山安全生產[3]。黃隴煤田是中國的大型煤礦生產基地之一，是全國重要能源生產基地，其中，小莊煤礦位于黃隴煤田的彬長礦區，隸屬于陜西彬長礦業公司，是其下屬的新型大型骨干礦井之一[4]。小莊煤礦位于彬長礦區中部，礦區位于鄂爾多斯盆地南部渭北北緣的彬縣，小莊煤礦主采的4號煤層位于延安組下部，埋藏較深，基本全井田分布，4號煤層形成于長期發育的泥巖沼澤中，煤層厚度0～38.66 m，平均厚度15.23 m，屬特厚煤層。目前準備開采40205工作面，工作面直接底為鋁質泥巖，厚度為3～4 m。直接頂為細砂巖，厚度為1～2 m。老頂為中-粗粒砂巖，厚度約為9～10 m。

根據煤炭科學研究院《小莊煤礦4號煤及其頂底板巖層沖擊傾向性鑒定報告》，4號煤層、頂板、底板具有弱沖擊傾向性。沖擊礦壓是典型的煤巖動力災害，是一種積聚在礦井巷道和采場周圍煤巖體中的能量突然釋放現象，產生的動力將煤巖拋向巷道，同時發出強烈聲響，造成煤巖體振動和破壞、支架與設備損壞、人員傷亡、部分巷道垮落破壞等[5-6]。目前針對沖擊地壓問題已經開展了許多有意義的研究，在理論研究方面提出了強度理論、能量理論、沖擊傾向性理論、變形失穩理論、沖擊啟動等理論[7-8]。在監測預警方面有鉆屑法、應力監測法、聲發射監測法、微震監測法、電磁輻射監測法等監測預警方法[9-10]。在沖擊地壓防治方面形成了開采布局調整、開采保護層、煤巖層注水/爆破卸壓、大孔徑鉆孔卸壓等防治方法[11-12]。因此，分析小莊煤礦井綜放開采過程中沖擊地壓的監測預警及防治，對小莊煤礦的高效生產和安全開采具有重要意義。

1 40205 工作面沖擊地壓影響因素分析

煤層開采過程中沖擊地壓的發生需具備3個條件，即開采煤層本身具有沖擊傾向性；采掘空間圍巖載荷局部化集中，并且達到沖擊失穩載荷極限；煤體中高度局部化集中的載荷有釋放空間。

1.1 開采深度

隨著開采深度的增加，自重應力隨之增加，煤巖體中聚積的彈性能也隨之增加。開采深度越大，發生沖擊地壓的可能性也越大。小莊煤礦40205工作面地表最大標高+1 082.5 m，最低標高+953.0 m，煤層埋深約為570～710 m，開采深度對40205工作面沖擊危險性影響程度為中等-較大。井下開采改變了煤巖體賦存空間，巷道、采空區提供了一個應力釋放的空間。

1.2 煤巖層沖擊傾向性

煤巖沖擊傾向性是煤(巖)介質產生動力破壞的固有屬性，是發生沖擊地壓的必要因素之一，而且煤巖層結構特點和煤巖層的組合形式與沖擊地壓也有密切關系。根據沖擊傾向性鑒定結果，小莊煤礦4號煤頂底板及煤層都具有沖擊傾向性。

1.3 綜合分析

對于40205工作面沖擊地壓的發生第1和第3個條件已經滿足。40205工作面沖擊地壓防控主要思路是采掘活動中消除或弱化圍巖載荷局部化應力集中，避免沖擊地壓的發生。

2 沖擊地壓監測及預警

2.1 微震監測

采用KJ551微震監測系統對井下采掘區域微震事件進行監測，井下微震監測臺網能覆蓋該工作面掘進區域，可有效監測該掘進工作面微震事件。KJ551微震監測系統能通過對井下微震事件進行實時監測，結合微震事件發生的地點、時間、能級等指標，對沖擊地壓進行預測預報。監測過程中，如果工作面周圍的微震能量超過臨界值，或微震能量、頻次出現異常，或向某個區域集中時，判定存在沖擊地壓危險，應及時進行解危治理。微震監測及沖擊地壓的預測預報由防沖辦負責，每日監測結果在調度會上進行通報，并根據監測結果及時安排防沖隊及施工區隊做好卸壓解危措施的落實工作，確保安全生產。沖擊地壓危險等級分為A級-無沖擊危險、B級-弱沖擊危險、C級-中等沖擊危險、D級-強沖擊危險，見表1。

表1 沖擊地壓危險微震能量分級預警指標Table 1 Graded early warning indicators of microseismic energy for rock burst danger

2.2 地音監測預警

地音監測系統的工作原理是通過提供統計地音事件、能量釋放率、延時等一系列地音參量，找出地音活動規律，以此判斷巖體受力狀態和破壞進程，評價巖體的穩定性，進而判斷監測區域的沖擊危險等級。經過長期監測后，可以在已有數據的基礎上，對下一時段內監測區域危險等級進行預測，從而實現對監測區域的危險性評價和預警。目前小莊煤礦已安裝ARES-5/E地音監測系統，掘進工作面掘進期間，在后部距掘進工作面40 m、70 m位置布置2個探測器，如圖1所示。采煤工作面采煤期間分別在工作面進風巷、運輸巷距切眼60 m、110 m位置各布置一個探測器，如圖2所示。且各探測器隨工作面的推進交替外移，以便更準確有效地接收煤巖層中的地音信號。

圖1 掘進期間地音探測器布置示意Fig.1 Layout of geosonic detectors during tunneling

2.3 采動應力監測

目前小莊煤礦已配備KJ649采動應力監測系統，具體監測點方案如圖3所示。

圖3 危險區域內采動應力監測方案示意Fig.3 Monitoring scheme of mining stress in hazardous area

40205工作面膠帶運輸順槽南側每隔30 m安裝一個9 m深單孔應力計；北側每隔30 m安裝一組應力計，每組由一個15 m和一個9 m應力計組成，兩孔間距1 m；安裝孔徑44 mm。應力計安裝高度位于1.2～1.5 m，安裝方位角0°，垂直水平夾角0°～3°，開口避開錨桿和錨索0.4 m以上，應力計接口外露0.5 m，安裝初始壓力4 MPa。鉆孔黃土封口1.5 m。

3 沖擊地壓預卸壓措施

3.1 不同防治措施分類

通過斷頂、斷底、煤體鉆孔等預卸壓措施，對劃分的沖擊危險區域內采掘工作面高應力集中的削弱，可有效預防沖擊地壓的發生。如工作面回采期間采取PASAT應力CT掃描，對沖擊危險區域進行精細劃分，則回采期間可按照CT掃描結果進行不同等級沖擊危險區域預卸壓，具體防治措施見表2。

表2 不同沖擊危險區域防治措施Table 2 Prevention and control measures for different bursting risk areas

3.2 迎頭預卸壓

掘進工作面每施工40 m巷道，在迎頭施工5個80 m深的卸壓鉆孔，保證40 m處于卸壓范圍，鉆孔采用五花眼布置；直徑133 mm，左右間距1.5 m，上下間距0.3 m，方位角270°，鉆孔垂直角度與巷道掘進坡度一致。掘進工作面每掘進3天，在迎頭施工5個25 m深的卸壓鉆孔，鉆孔采用五花眼布置；直徑133 mm，左右間距1.5 m，上下間距0.3 m，方位角270°，鉆孔垂直角度與巷道掘進坡度一致。迎頭卸壓鉆孔采取交替施工，具體參數見表3。

表3 鉆孔參數Table 3 Drilling parameters

3.3 幫部及底板預卸壓

3.3.1 幫部大直徑卸壓鉆孔

使用ZDY3500LP鉆機施工大直徑卸壓鉆孔。幫部大直徑卸壓鉆孔直徑為133 mm，鉆孔布置在巷道高度的中部，單排布置，鉆孔距巷道底板1.5 m(盡量避開錨桿、錨索支護位置，避免使支護失效)，孔間距為1.6 m，封孔長度4 m。卸壓鉆孔參數見表4，布置方式如圖4所示。

圖4 40205運順幫部大直徑卸壓鉆孔布置剖面示意Fig.4 Layout section of large-diameter pressure relief drilling holes at the side of 40205 transport roadway

表4 幫部大直徑卸壓鉆孔參數Table 4 Pressure relief parameters of large-diameter drilling holes in the side

3.3.2 底板大直徑卸壓鉆孔

底板施工大孔徑卸壓鉆孔，沿底板底角兩側各施工1組(可適當調節鉆孔位置，需保證鉆孔施工質量)。鉆孔直徑133 mm，孔間距為1.6 m，封孔長度2 m，鉆孔長度8 m左右(以見底板巖層為準)，卸壓鉆孔參數見表5，布置方式如圖5所示。

圖5 底板大孔徑卸壓鉆孔布置示意Fig.5 Layout of large-diameter pressure relief drilling holes in the floor

表5 底板大直徑鉆孔卸壓參數Table 5 Pressure relief parameters of large-diameter drilling holes in the floor

4 結論

(1)小莊煤礦40205工作面沖擊地壓防控主要思路是采掘活動中消除或弱化圍巖載荷局部化應力集中，避免沖擊地壓的發生。

(2)在沖擊地壓監測方面，綜合運用微震監測、地音監測和采動應力監測，可以滿足小莊煤礦沖擊地壓的預警。

(3)結合工程實踐發現，采用預卸壓措施對采掘工作面高應力集中區域進行削弱，可有效預防沖擊地壓的發生。